[发明专利]一种磷酸铁锂复合正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池正极材料及其制备，尤其涉及一种二次锂离子电池或者动力能源用电池的正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池自上世纪九十年代问世以来，因其高能量密度、良好的循环性能及荷电保护能力被认为是高容量、大功率电池的理想之选。在锂离子电池中，正极材料的使用量很大，这增加了锂离子电池的生产成本。目前，用作锂离子电池正极材料的物质主要是含锂过渡金属氧化物，包括层状结构的LiMO（M=Co、Ni、Mn）和尖晶石型的LiMn₂O₄。然而，这些材料由于价格（LiCoO₂）、安全性（LiNiO₂）、高温电化学性能（LiMn₂O₄）等原因使它们在高容量电池的应用方面受到诸多制约。因此，寻找新的价格低廉、性能优良的正极活性材料成为锂离子电池研究的重点。

1997年Goodenough小组首次报道了磷酸亚铁锂（LiFePO₄）的电化学性能。此后，将其用作锂离子电池正极活性材料的研究成为热点。LiFePO₄的可逆理论比容量高达170mAh/g；充、放电电位为3.4V（vs.Li⁺/Li），低于大多数电解液的分解电压而具有良好的安全性。LiFePO₄的循环性能和热稳定性良好，特别是在高温时循环性能更佳；更为重要的是，其原料来源丰富，与环境相容性好。与LiCoO₂、LiNiO₂及LiMn₂O₄不同，LiFePO₄具有稳定的橄榄石型晶体结构，嵌/脱锂反应在LiFePO₄和FePO₄晶胞尺寸相近的两相中进行；在充放电过程中，材料的体积变化小，体积的收缩、膨胀既不会导致晶体结构的破坏，也不会影响由粘结剂和导电剂构成的导电网络，增加了电池的使用寿命。因此，LiFePO₄被认为是一种理想的锂离子电池正极材料。

LiFePO₄属于橄榄石结构的聚阴离子化合物，由于其晶体结构的特点，LiFePO₄具有较低的电子导电率和锂离子扩散系数，在一定程度上阻碍了其商业化的应用。目前，改善LiFePO₄电化学性能的有效途径主要有碳包覆和高价金属离子掺杂两种方法。碳包覆既能改善LiFePO₄颗粒间的导电性，又能减小LiFePO₄颗粒的大小，进而改善LiFePO₄的宏观电化学性能。但碳包覆也存在如下问题：首先，无定形碳在颗粒之间难以均匀分布，产品性能的稳定性难以保证；其次，无定形碳的加入，使振实密度明显下降，这使得LiFePO₄性能的改善和振实密度的提高不能有机地统一起来。采用高价金属离子掺杂的方法时，金属离子进入晶格后改善了LiFePO₄的晶体结构，使其电子导电率得到了本质的提高，从而改善了其宏观电化学性能，但如何使高价金属离子准确地进入LiFePO₄晶体的入锂位或铁位，是目前较难控制的问题。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种以碳为载体和导电剂，具有生物形态的LiFePO₄/C复合正极材料的制备方法，该制备方法工艺简单、操作容易、成本较低。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种LiFePO₄/C复合正极材料的制备方法，其特征在于：以天然植物纤维或生物膜为载体，使可溶性的锂化合物、铁化合物和磷酸盐的离子蒸发在载体上组装，缓慢升温至炭化和合成温度，在惰性气氛下高温炭化和合成形成以碳为载体和导电剂，具有生物形态的复合正极材料。可溶性的锂化合物、铁化合物和磷酸盐的锂离子、铁或亚铁离子、磷酸根离子称为有效离子。

上述技术方案中，所述植物纤维或生物膜：天然植物纤维为棉絮、柳絮、杨絮、芦絮、蒲公英、棕、苎麻、剑麻、黄麻、竹纤维中的一种或多种；生物膜为蛋膜、竹膜、木蝴蝶中的一种或多种。